水利工程智能一体化仿真云应用平台建设与应用

张 婷，李端阳，孙华文，李健增

(1.国家超级计算天津中心，天津 300457；2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

在设计工程仿真领域，目前高端装备产品设计复杂度、相关性、制造精度大大提高，国家知识产权保护制度越来越完善，为缩短工程设计周期、提高工程运行安全性、降低企业仿真计算软硬件成本、提高行业内信息共享水平，越来越迫切地需要高性能仿真云平台的支撑，本平台基于”天河一号“系统，将高性能计算机与水利工程设计、工程仿真结合应用，对水利工程、水利装备的设计、建造技术水平带来了显著提升。

不比不知道，一比吓一跳。在茄子移栽后34天，洋丰百倍邦套餐肥展现了强劲效果。观摩会当天，众人冒着高温，在新洋丰工作人员带领下来到茄子示范田。刚进入茄子地，众人就被左右两块茄子地长势差距震惊了，示范田茄子植株明显比对照田要高出一大截。在众人惊奇之余，卢琼珍高兴地为观摩人员介绍示范田和对照田的施肥方案。他一共租80亩地，其中一半转租出去。因卢琼珍是新洋丰肥料零售商，剩余40亩地在新洋丰技术员指导下，施用了百倍邦套餐肥。

为践行“水利工程补短板，水利行业强监管”水利改革发展总基调和“安全、实用”水利网信总要求，落实水利部大力推进智慧水利，针对水利工程仿真云技术从总体架构、物理架构、功能架构、应用架构、应用场景等5个维度进行深入梳理，并在国家超级计算天津中心“天河工程仿真云平台”的基础上搭建了“水利工程智能一体化仿真云应用平台”，提升了水利行业工程仿真的云计算、云应用、云共享水平。

本平台由中水北方勘测设计研究有限责任公司(原水利部天津院)与国家超级计算天津中心合作研发。

1 解决方案概述

1.1 方案概述

本项目是在天河工程仿真云平台[1]的基础上，结合实测采集数据与实验数据，集成应用云计算、大数据与人工智能等信息技术，进一步面向水利行业的典型应用场景进行定制化开发，构建水利工程智能一体化仿真云应用平台，面向水利行业提供便捷化、智能化的水利工程仿真应用服务。平台包含1个模块。

缓存服务器主要用于对用户当前计算任务信息进行缓存，以提升数据访问效率。

(1)通过集成已有的水利工程仿真专业软件，针对水利工程仿真应用的典型性、复杂性应用场景进行定制化、流程化封装[2]，形成面向水利工程领域的通用性仿真云平台，可开展固体结构静动力分析、复杂流动数值模拟、流固耦合问题分析等的高性能并行计算，极大地降低仿真应用门槛，依托云化的服务模式，极大地降低企业仿真应用的软硬件成本。

(2)结合实测采集数据与实验数据，通过大数据与人工智能等分析手段，建立全国水利工程数字孪生云服务计算模型，开展实时洪水演进数值模拟[3]，集成于全国洪水预报系统提供数据支撑，开展水利工程设施运行阶段的结构稳定性、可靠性等力学分析，为水利基础设施安全监测提供数据支撑。

虽然中国哲学并没有明确指出主体性的含义，但是中国哲学中却渗透着这种思想：格物、致知、诚意、正心、修身、齐家、治国平天下。想要达到完美的境界必须从外界现实中思考然后内化为自己内心的修养继而将内化的修养发散出去。这样一种中国哲学的描述实际上就是对主体性最好的诠释：自觉考察，自主选择，自觉涵养，自觉践履。

用户交互层重点实现基于浏览器的平台交互前端，使终端用户不安装任何软件及插件即可访问水利工程智能一体化仿真平台，同时对不同类型访问终端进行适配，满足不同类型用户及移动办公的需求。

(4)结合5G技术构建水利工程仿真云应用APP[7]，为水利行业仿真用户提供无服务器计算体验。

1.2 解决的技术难题

(1)解决平台应用过程中面临的千万级复杂工况仿真优化、千万级特征数据存储等数据规模庞大、数据格式复杂多样、数据量动态增加、数据可靠备份等挑战，研究实现融合备份的层次式动态可扩展存储系统。

病虫防控在猕猴桃生产中的作用和地位，绝大多数种植者都有认识，而且非常重视，舍得投入，但长期以来依赖化学手段进行的药剂防治，已经到了药尽其力而不见其效，越防越多、难以控制的恶性地步。国内外大量植保成功经验证明，利用化学手段或单纯依靠化学手段进行病虫防治已成为传统的、落后的，无法达到有效控制目的的短视行为。无论从消费者食品安全角度，还是现有生产种植现实看，全面推进综合防治措施，大力提高农艺管理水平，增强果树抗性，加大生物、物理防控力度，实施生态绿色种植，才是猕猴桃植保工作的出路，也是质量安全的源头保证。

(2)为满足水利工程领域对数据传输效率和服务安全、稳定性要求，解决多行业应用数据安全防护问题，研发实现了重安全、强均衡的多层级网络互联与交换系统。

(2)研发了基于统一视图的高弹性高可用PAAS云平台，解决了跨平台的融合设施集成管理、行业研发工具的多样性需求等技术瓶颈，实现了在统一系统平台下服务水利工程多领域多场景仿真。

1.3 创新点

1.3.1业务创新

(1)平台面向水利工程领域提供通用性仿真资源服务，具有云化使用模式与流程化操作，在线付费与按需分配等灵活的资源配置，以及高性能的硬件资源与丰富的软件资源池，改变以往使用本地服务器的方式，用户无需事先固定投资，无需投入大量软硬件资源与运维人员、无需投入专业性很强的技术人员即可快速完成计算任务。

(2)平台具有集成开放性以及功能适应性，结合行业特点，可为水利工程各个专业领域建立适用性更强的行业专属云平台，提供专业仿真云服务；集成于全国洪水预报系统开展实时洪水演进数值模拟，为洪水预报提供数据支撑；集成于水利基础设施安全监测系统开展水利工程设施运行阶段的结构稳定性、可靠性等力学分析，为水利基础设施安全监测提供及时、可靠的数据支撑。

1.3.2流程创新

(1)通过云端封装与可视化发布，解决以往应用超级计算机流程繁琐、技术门槛较高的问题，用户无需输入linux命令、无需编辑脚本即可提交作业，资源使用、任务提交情况一目了然，余额、余时实时查询。

(2)通过集成一体化分析系统、GPU虚拟化加速处理系统、云平台门户系统，构建可视化模型处理、界面化高性能计算等集仿真前端设计、计算、后端处理为一体的全流程仿真，极大地增加平台的使用体验。

历史统计资料显示,在中国占主导地位的阶段,中国甘薯出口的单价与世界甘薯出口交易的平均水平基本相当．但2004年以后中国甘薯贸易的单价逐渐低于世界平均水平,且2010年以前这一差距不断拉大．不过,随后几年我国甘薯贸易均价与国际平均水平之间的差异正在逐渐缩小,2016年以来已经连续两年超过世界平均水平．2017年中国甘薯出口平均单价达1 257美元/t,是世界平均水平的1.5倍，如图4所示．

(3)通过针对特定水利工程场景进行抽象云化，形成自动化计算处理流程，降低仿真工具的应用门槛，同时提供仿真模型的推荐配置参数及固化配置参数，使水利工程专业人员更多的关注于水利工程问题本身，而不用过多考虑仿真计算工具的使用方式及计算模型本身的参数配置。

1.3.3技术创新

(1)构建了高性能计算、云计算、大数据、人工智能融合支撑环境，解决了水利工程仿真计算性能要求高、数据规模大、数据共享困难[6]、安全管理难度大的问题，实现了对敏捷研发多元信息化需求的基础支撑。

(3)为解决大规模多样性计算任务对底层资源使用需求动态变化，导致的资源层大规模计算系统能耗和成本管理问题，研发多层级高效资源柔性配置技术。

(3)研发构建了水利工程典型仿真场景的流程化应用环境，降低平台以及水利工程软件的使用门槛。

2 系统架构

2.1 总体架构

总体分为8层，包括用户交互层、任务管理层、参数配置及数据显示层、数据采集与软件部署层、计算应用层、运行环境层、资源调度层、及基础环境层。平台总体架构如图1所示。

文书的背面文字为：“中统钞当月支工钱肆……”。[注]前引李逸友编著《黑城出土文书(汉文文书卷)》，第189页；杜建录《中国藏黑水城汉文文献整理研究》，第69～70页。

(3)建立水利工程仿真软件的研发平台，提供开放、规范的接口服务，上层可快速集成SAAS应用[4]，支持软件部署、测试以及快速云化应用，推动自主水利工程模拟软件的研发进程与产业化应用。

大伙儿闲谈，自然就谈到了梨友。那铁匠说：“我是大义府人。我记得清清楚楚，腊月三十那天，大义府被梨友破了。大义府在北疆，腊月已特别冷了，在外头感觉耳朵痒，不能搓，一搓，耳朵就掉了。

任务管理层主要对基于超级计算机的水利工程仿真任务管理进行封装，开发对应任务管理接口提供给平台前端调用，以此实现基于平台的水利工程仿真计算任务配置、提交、查看以及取消。

算例配置及数据显示层重点对用户从前端提交的水利工程仿真算例配置及数据显示配置进行解析，通过参数转换服务将配置转换成所需的文件格式供水利工程仿真应用及数据可视化应用读取，利用数据可视化服务响应用户数据结果图形交互操作发送指令至数据可视化应用实现对网格模型及计算结果的可视化操作。

数据采集与软件部署层，数据采集主要对应洪水演进实时数据以及水利基础设施运行阶段的实时数据进行采集，并将数据输入到水利工程一体化仿真云平台中，开展洪水演进实时数值模拟以及水利工程实时动态安全监测；软件部署主要针对用户开发的软件，支持在线的部署，并发布到水利工程一体化仿真云平台上，满足用户个性需求以及软件的开发测试。

联盟共举办两届“基于HIM的广义BIM矩阵(GIM)论坛”、两届“中国BIM经理高峰论坛”，第一届全国建筑业“互联网+”技术展示会，2016建筑施工BIM应用项目观摩会，参展“第十三届国际绿色建筑与建筑节能大会暨新技术与产品博览会”，协办“buildingSMART 2017年香港国际BIM大赛暨高峰论坛”，协办第四届BIM国际技术交流会等，通过论坛展览展示活动不断扩大联盟影响力。

计算应用层由通用水利仿真计算应用、洪水演进模拟应用、数据可视化应用组成，通用水利仿真计算应用可部署商业有限元软件ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA，商业计算流体力学软件FLUENT，CFX和STAR-CCM+，开源程序有TRUBAL、DDA2D、NMM2D、Y2D/3D、SPHYSICS、openLBMflow、Palabos、OpenFVM、OpenFOAM、MFIX等；洪水演进模拟应用部署自主二维水流模型TWOM；数据可视化应用主要采用基于天河可视化平台的后端数据可视化服务。

“我们喝的，是黄粱酒，还是黄梁酒？我们来到的这个小山村，是黄梁村，还是黄粱村？好妮妮你快给我讲讲！”上官星雨的声音好听，脆生生的，胜业坊里富人家小姐们的腔调，就像二月渭河柳树下正在消融的春冰。她长得也好看，将脸上的灰泥洗去，还算是一个娇俏伶俐的丫头。

运行环境层根据不同类型的水利工程仿真应用需求实现自定义的动态运行环境配置，包括操作系统类型、程序编译环境、应用并行计算环境等，从而解决应用间的运行环境冲突问题。

资源调度层通过对计算及存储资源的动态调度来实现异构计算资源的管理，包括CPU计算节点、GPU计算节点、存储节点及云计算节点等资源，以满足水利工程仿真计算任务需求。

基础环境层由“天河融合环境”的超级计算与云计算、大数据存储所构成的基础设施组成，平台层面的基础服务通过“天河”PAAS平台进行定制化开发。

2.2 物理架构

基于“天河融合环境”所提供超级计算机与云平台、大数据存储互联环境构建，主要由负载均衡服务器、WEB服务器、认证服务器、渲染服务器、消息队列服务器、缓存服务器、数据库服务器、文件服务器、Samba服务器及超级计算机(包括登录节点、计算节点、存储节点和高速互联网络等)组成。平台物理架构如图2所示。

图2 平台物理架构

水利工程一体化仿真计算平台应用架构如图4所示。

WEB服务器根据作用不同分为前端服务器和后端服务器，其中前端服务器主要用于部署水利工程仿真计算平台用户交互前端页面服务；后端服务器主要用于部署水利工程仿真计算平台任务管理接口服务以及配置参数转换和计算数据可视化服务。

认证服务器主要用于对平台访问用户的身份及权限进行验证。

渲染服务器主要用于部署渲染应用服务，通过接收计算数据可视化服务发送的指令执行渲染操作。

消息队列服务器主要建立WEB后端服务器与超级计算机登录节点间的消息通信及远程对象调用机制，实现WEB服务对超级计算机计算作业的管理。

通过固定架,将焊接的电路板与8 cm扁锥腔体相连,组装成实验测试装置,且保证实验装置的腔内气体与外界气体无交换。首先对CO2气体传感器的测试装置进行标定。

(4)企业规模。企业规模对于重污染企业环境行为的影响也可以分为内外两点。从企业内部来看，大规模重污染企业相较于小规模企业更为注重品牌效应，大规模重污染企业往往期望营造出良好的品牌形象，以品牌赢得公众消费者的青睐，这也就是大型重污染企业对于良好的环境行为更加重视的原因。

数据库服务器为水利工程仿真计算平台提供数据库服务，主要用于存储用户信息、计算任务信息以及计算应用相关的集成信息等持久化信息。

文件服务器用于存储平台上非水利工程仿真应用计算所需的文件，如用户头像、身份证等。

Samba服务器主要用于实现WEB服务器对超级计算机Luster存储的访问管理，用户通过平台配置的算例参数转化成的应用输入文件以及计算的结果文件都将存储在超级计算机的Luster存储上，采用Samba服务可以有效保证WEB后端服务器对这些数据的访问。

2.3 功能架构

水利工程一体化仿真计算平台功能架构如图3所示，主要由用户交互前端、应用集成后台和数据管理后台组成。

图3 平台功能架构

以嵌入工作开展监督。工作初期，参加各单位相关会议，尽管做了准备，但业务和人员情况掌握仍然不够深入，不充分掌握情况，监督工作就浮在面上，精准监督就是一句空话。之后我们加强各单位业务工作研究学习，利用与各单位工作互动，掌握工作实际运行情况，增进人员情况了解，逐步发挥驻的优势，做监督单位的“知情人”“有心人”，以嵌入“风险点”、嵌入“关键点”开展工作。

应用集成后台主要提供给平台水利工程仿真应用研发及管理人员使用，通过可视化配置的方式将水利工程仿真应用集成至平台后端的”天河融合环境“上，主要包括应用输入配置参数的集成、数值计算应用的集成、应用运行环境的集成以及计算资源调度的集成。

用户交互前端针对水利工程仿真计算需求提供给用户可视化的计算任务管理模块实现任务状态的查看；计算应用管理模块对可使用的计算应用进行管理、算例配置管理模块进行算例设置以及计算结果管理模块浏览及可视化结果文件；数据采集管理模块主要用于数据的实时采集；软件部署模块用于用户软件的自定义安装与发布。

从造纸术发明到无纸化时代，科技正在深入医院的每一个褶皱。新上系统 10多个，系统改造 100多项，流程再造 20 多个。他们敲响“纸的盛世”丧钟！

数据管理后台重点实现了平台数据库数据及文件数据的在线管理，平台管理员可通过登录数据管理后台对平台用户数据、应用数据、任务数据及结果数据进行维护与管理。

2.4 应用架构

负载均衡服务器主要用于将用户访问请求均衡地分布到各个WEB服务器上，来减轻单个WEB服务器上的负担，从而消除WEB服务器之间的负载不平衡，提高整个平台的响应速度与总体性能。

图4 平台应用架构

管理员用户通过登录应用集成后台对水利工程仿真计算应用的参数配置、计算应用、运行环境以及资源调度需求进行配置，实现水利工程仿真计算应用的平台集成。

结肠癌SW620细胞株购自American Type Culture Collection公司（编号：CLL-227），冻存于成都中医药大学附属医院中心实验室。细胞以37℃温水复苏后，用含有10%胎牛血清、1%青-链霉素的DMEM培养基在37℃、5%CO2培养箱中长期培养。

普通用户登录用户交互前端平台进行算例配置，通过互联网将配置参数提交至平台后端服务驱动“自动化业务流”的执行，最终实现水利工程仿真算例提交计算。这样通过利用平台后端对超级计算机的使用过程进行封装，实现终端用户对超级计算机的无感知使用，用户只需了解平台的使用方法及水利工程仿真计算配置即可实现超级计算环境下水利工程仿真计算及应用，可使非计算机专业的工程人员充分利用超级计算机实现水利工程仿真的计算并行和任务并行，极大提升水利工程仿真应用效率。

在此基础上，通过实时数据采集，可以实现实时状态的仿真模拟，针对洪水演进、水利工程运行阶段安全监测两种典型应用场景开展应用，实现水利工程的数字孪生[5]；通过用户研发软件的部署发布，实现用户软件的在线测试与研发，助力自主水利工程仿真软件的发展。

2.5 应用场景

包括三种应用场景，通用水利工程仿真计算、水利工程数字孪生平台应用、水利工程仿真软件开发(基于BIM+GIS平台)。应用场景如图5所示。

图5 平台应用场景图

通用水利工程仿真计算可开展固体结构静动力分析、复杂流动数值模拟、流固耦合问题分析：水工结构地震动力响应分析、高边坡稳定计算、灌区渠道冻胀破坏分析、土与结构动力相互作用分析、移动荷载作用下结构动力响应、饱和与非饱和地基动力响应分析、溃坝、洪水演进、通风与对流换热、多相流、坝与库水动力相互作用以及大型渡槽流固耦合振动问题、水利工程机械性能优化设计、施工过程仿真等；水利工程数字孪生平台基于实测数据，可开展实时洪水演进数值模拟，重大工程运行阶段的结构强度、刚度、稳定性、疲劳等分析；水利工程仿真软件研发平台可快速部署、发布、测试水工结构力学、流体力学、多物理场岩土力学等领域的模拟软件。

3 关键技术的来源、原理、特点

(1)依托已经具备的云平台、超级计算平台和海量数据存储的基础，构建了具有独立知识产权的超级计算、云计算与大数据存储相融合的支撑服务环境，利用超级计算资源提供计算服务，云计算资源提供WEB应用部署及应用程序服务，大数据存储提供多源异构数据的存储服务。如图6所示。

图6 融合平台网络拓扑示意图

(2)构建基于统一视图的高弹性高可用PAAS平台，通过服务支撑和服务接口API等方式提供信息化基础设施服务和开放PAAS服务，涵盖高性能计算、云主机、大数据分析等基础服务，统一认证、资源调用、计费支付等开发支持服务。如图7所示。

图7 天河PAAS平台功能组成

(3)构建水利工程典型应用场景的仿真流程化应用环境，将不同类型的应用服务分别部署到对应的资源池，使用户业务根据需要分配在不同的环境资源上，通过统一任务管理实现服务的调度。利用超级计算机实现水利工程仿真计算，通过云计算实现水利工程仿真算例配置与结果查看的前端服务，超级计算机连接全局文件存储系统、云计算连接云存储。

4 应用项目名称及应用情况

天津市天发重型水电设备制造有限公司：基于水利工程一体化仿真平台构建水轮发电机叶轮优化设计平台，覆盖水轮机叶片制造企业的设计过程，大幅度提高水轮机叶片制造业的设计服务能力。应用于涔天河电站水轮机三维CFD计算，整个机组的水力性能完全能够满足业主的要求，采用云的方式使设计周期缩短了30%，相关水轮机项目收入6900万元，利润率10.62%。2019年，合作完成了巴基斯坦数个不同规模水电站项目水轮发电机组的有限元设计及结构安全性复核。

5 结语

“水利工程智能一体化仿真云应用平台”提升了水利工程仿真计算水平、降低了企业仿真计算软硬件成本、提高了企业效益，构建了超级计算、云计算与大数据存储相融合的支撑服务环境，提供了WEB应用部署及应用程序服务、大数据存储提供多源异构数据的存储服务，构建了基于统一视图的高弹性高可用PAAS平台和水利工程典型应用场景的仿真流程化应用环境，实现了基于超级计算机和云计算的水利工程仿真算例配置与结果查看的前端服务，创建了3种应用场景包括通用水利工程仿真计算、水利工程数字孪生平台应用、水利工程仿真软件开发(基于BIM+GIS平台)。

随着水利工程仿真模型、水利工程数字孪生模型体系的不断完善和水利工程仿真软件的深入应用，“水利工程智能一体化仿真云应用平台”在水旱灾害防御、水资源管理、河湖管理、工程管理、水土保持等水利业务应用中，结合实时感知数据，依托超算中心强大的计算资源，为水环境、水生态、水安全、水工程提供更有效、更及时甚至实时的仿真模拟分析结果，为水利行业强监管提供分析、预警、决策的可靠科学依据。